Forskare från Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems i Magdeburg, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, och universitetet i Halle är ett steg närmare en syntetiskt konstruerad cell. De har använt ett enzym som finns i bakterier för att sätta ihop en avgörande del av andningskedjan - väsentlig för energimetabolismen i många celler - och gjort den funktionell i ett konstgjort polymermembran.

Att skapa konstgjorda celler är en av de stora visionerna inom både biologi och teknik. Några av de ambitiösa visionärerna bygger radikalt om celler som redan finns i naturen. Andra – som Max Planck-forskarna – tar en ännu stenigare väg. "Vi vill konstruera en ny cell från grunden genom att gradvis kombinera enskilda komponenter till ett levande system med en metabolism, säger Ivan Ivanov, en vetenskapsman från Kai Sundmachers arbetsgrupp, Direktör vid Max Planck-institutet i Magdeburg.

I en nyligen genomförd studie, forskarna letade efter en konstgjord polymer som har egenskaperna hos ett cellmembran och som också kan spela sin roll i energiomsättningen. Naturliga cellmembran, som består av fosfolipider, separera cellens inre från miljön. De har både hydrofila och lipofila egenskaper och är scenen för väsentliga biokemiska reaktioner som tjänar till att producera energi för cellen, bland annat. "Inspirerad av de naturliga processerna från energimetabolismen hos levande organismer, vi designar skräddarsydda artificiella energiorganeller från biologiska och kemiska byggstenar som omvandlar ljus eller kemisk energi till ATP, " förklarar Tanja Vidaković-Koch från Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems. Nästan alla kemiska reaktioner i cellen drivs av ATP.

Protonpump i ett konstgjort membran

Forskarna har nu hittat en kommersiellt tillgänglig polymer (det ytaktiva medlet PDMS-g-PEO) som fungerar som ett membran i stället för de naturliga fosfolipiderna och som därmed kan bilda vesiklar. Sådana vesikler "är en användbar modell för konstruktion av konstgjorda organeller och celler, " förklarar Rumiana Dimova, en specialist för biomembran vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. Ett stort hinder har varit att införliva funktionella proteiner – inklusive de som är involverade i energimetabolism – i polymermembran.

Teamet av Max Planck-forskare har nu lyckats integrera protonpumpen bo3-oxidas i det syntetiska membranet. Enzymet tillhör andningskedjan hos många bakterier "och fungerar också ganska bra i polymermembranet - till och med något bättre än i de naturliga lipidmembranen, " säger Nika Marušič, medförfattare till studien.

Oxidaset reducerar syre även i det konstgjorda membranet och utgör därmed det sista steget i cellandningen. Som forskarna har visat, det pumpar in protoner i det inre av blåsan, skapar därmed en förutsättning för produktion av ATP.

ogenomtränglig för protoner

Det konstgjorda membranet är också nästan ogenomträngligt för protoner, ändå tillräckligt flytande och mycket stabil (mycket stabilare än sin naturliga motsvarighet) mot skadliga syreradikaler. Böjstyvheten hos polymermembranet liknar också den hos ett naturligt membran. Detta är viktigt eftersom levande celler ständigt deformeras. Böjmodulen får därför inte vara för låg för att cellerna ska kunna behålla sin form. Dock, den ska inte heller vara för hög. Annat, funktionen hos komplexa membranproteiner kommer att äventyras.

Enkelt uttryckt:polymerens kemi erbjuder utmärkta förutsättningar för energimetabolism i en artificiell mitokondrie. Enligt Ivanov, Det finns dock fortfarande några hinder:"Det är fortfarande oklart hur detta polymermembran skulle kunna replikera." Detta skulle säkert vara nödvändigt för att en konstgjord cell ska kunna föröka sig. Forskarna har alltså fortfarande mycket arbete framför sig.